CN114774803A - 一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金及其制备方法，属于阻尼材料领域，所述铁铬铝合金主要是以预合金Fe‑21Cr‑4Al和单质Gd粉为原料，采用放电等离子烧结的方法进行烧结得到在合金晶界处和位错附近分布富Gd相组织的铁铬铝合金。本发明通过Gd合金化，可以有效细化合金晶粒尺寸，提高铁铬铝合金的抗压强度和硬度，同时，大量的富Gd相均匀分布在合金晶粒内部并在晶界和位错附近聚集，产生位错阻尼，提升了阻尼能力；通过以上多方面的协同作用，使含Gd合金的阻尼性能和抗压强度分别能够达到0.072和859.7 MPa，相比于不含Gd的合金分别提高了5.55倍和9.87%，从而解决铁铬铝合金由于阻尼性能高而强度低限制应用的难题。

Description

一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金及其制备方法

技术领域

本发明涉及阻尼材料领域，尤其涉及一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金及其制备方法。

背景技术

高阻尼合金不仅可以提高机械的安全性，还可以改善人们的生活环境，因此对合金阻尼能力的研究愈发受到重视。Fe-Cr基合金因其高阻尼性能，良好的机械性能和耐腐蚀性而受到广泛研究，并且在室温至500℃下表现出超高的阻尼能力。

现有研究表明，Fe-Cr-Al基合金中阻尼能力的提高会导致其力学性能降低。例如A.K.Mohamed等在《Damping capacity,magnetic and mechanical properties of Fe-18Cr alloy》(Journal of Magnetism and Magnetic Materials[J],2020)中指出：虽然通过热处理可以消除合金的内应力和位错，提高Fe-Cr基合金的阻尼能力，但是在高温下进行热处理会降低合金的强度，使合金的综合性能难以满足应用要求。H.Wang等在《Influenceof alloy elements(Mo,Nb,Ti)on the strength and damping capacity of Fe-Crbased alloy》(Materials Science and Engineering:A[J],2016)中表明：合金元素的添加可以细化合金晶粒，提升Fe-Cr基合金的机械性能，但是Fe-Cr基合金的阻尼性能只能在适当的晶粒尺寸范围内最大化，晶粒尺寸的减小导致形成更多的晶界，这阻碍了合金磁畴壁的不可逆运动，并降低了Fe-Cr基合金的阻尼能力。

发明专利CN201710858255.5公开了一种宽应变振幅高阻尼铁基复合合金制备方法。该方法制备的合金虽然在较宽的应变振幅下表现出较高的阻尼能力，但是该合金的力学性能较差，无法满足应用要求。因此提高铁铬铝合金的阻尼性能同时提高其力学性能对铁铬铝合金的应用及发展有着至关重要的作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金及其制备方法，通过Gd合金化，可以有效细化合金晶粒尺寸，提高铁铬铝合金的抗压强度和硬度，同时，大量的富Gd相均匀分布在合金晶粒内部并在晶界和位错附近聚集，产生位错阻尼，提升了阻尼能力；通过以上多方面的协同作用，使含Gd合金的阻尼性能和抗压强度分别能够达到0.072和859.7MPa，相比于不含Gd的合金分别提高了5.5倍和9.87％，从而解决铁铬铝合金由于阻尼性能高而强度低限制应用的难题。

为了实现上述技术效果，本发明采用的技术方案是：

一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金，高阻尼高强度铁铬铝合金是以预合金Fe-21Cr-4Al和单质Gd粉为原料，采用放电等离子烧结的方法进行烧结得到，所述高阻尼高强度铁铬铝合金晶界处和位错附近分布富Gd相的组织。

进一步地，原料中元素的质量百分比为：Cr:20％-22％、Al:3％-5％、Gd:1-4％，余量为Fe。

为实现上述技术效果，本发明还提供了一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金的制备方法，包括如下步骤：

(1)机械合金化：将质量百分比为1-4％的单质Gd粉末与Fe-21Cr-4Al预合金粉末混合后进行机械合金化，得到合金混合粉末；混合粉末中各元素含量为Cr:20％-22％、Al:3％-5％、Gd:1-4％，余量为Fe；

(2)放电等离子烧结：将步骤(1)的合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中进行烧结。

进一步地，步骤(1)得到合金混合粉末的具体操作是：将单质Gd与Fe-21Cr-4Al的混合粉末放入球磨罐中并在罐内加入叔丁醇和玛瑙球；再将球磨罐放入行星式球磨机中，以200～350r/min的转速球磨4～6h。

进一步地，球磨的球磨转速为300r/min，球磨时间为4h，玛瑙球与混合粉末的比例为10:1。

进一步地，步骤(2)放电等离子烧结过程中，等离子烧结的升温速率为80～120℃/min，烧结温度为1150～1250℃，烧结压力40～50MPa，保温保压时间为3～5min。

进一步地，步骤(2)放电等离子烧结过程中，等离子烧结的升温速率为100℃/min，烧结温度为1150℃，烧结压力45MPa，保温保压时间为5min。

与现有技术相比，本发明所具备的有益效果是：本发明通过Gd合金化，可以有效细化合金晶粒尺寸，提高铁铬铝合金的抗压强度和硬度，同时，大量的富Gd相均匀分布在合金晶粒内部并在晶界和位错附近聚集，产生位错阻尼，提升了阻尼能力；通过以上多方面的协同作用，使含Gd合金的阻尼性能和抗压强度分别能够达到0.072和859.7MPa，相比于不含Gd的合金分别提高了5.5倍和9.87％，从而解决铁铬铝合金由于阻尼性能高而强度低限制应用的难题。

附图说明

图1为实施例2中含Gd及不含Gd的铁铬铝合金室温阻尼性能曲线；

图2为实施例2中含Gd及不含Gd的铁铬铝合金在低应变振幅下的室温阻尼性能曲线；

图3为实施例2中铁铬铝合金在应变为20％下的抗压强度随Gd掺量变化曲线；

图4为实施例2中铁铬铝合金的硬度、平均晶粒尺寸随Gd掺量变化曲线。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本实施例中公开了一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金，高阻尼高强度铁铬铝合金是以预合金Fe-21Cr-4Al和单质Gd粉为原料，采用放电等离子烧结的方法进行烧结得到，所述高阻尼高强度铁铬铝合金晶界处和位错附近分布富Gd相的组织。该铁铬铝合金的制备方法具体步骤为：

(1)机械合金化：将质量百分比为1-4％的单质Gd粉末与Fe-21Cr-4Al预合金粉末混合后进行机械合金化，得到合金混合粉末；

(2)放电等离子烧结：将步骤(1)的合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中进行烧结。

在本实施例中，通过结合机械合金化和放电等离子烧结，一方面有效的细化合金晶粒，形成更多的晶界，阻碍位错的运动，提高了合金的强度。同时，大量的富Gd颗粒分布在晶界和位错附近阻碍位错运动，产生第二相强化，使合金具有高的强度。另外，添加的Gd部分溶解在合金基体中，而Gd原子和基体原子之间的尺寸差异，引起晶格畸变，产生应力场，从而增加位错运动的阻力并使材料增强。

另一方面，与应变振幅相关的阻尼类型包括位错阻尼和铁磁阻尼。位错阻尼机制是位错运动被晶体中的缺陷阻碍而滞后于外加应力引起的，而铁磁阻尼机制是通过磁畴壁的不可逆运动将振动产生的能量转化为热能，然后通过热传导散热；在应变振幅达到10^-5-10^-4时，铁铬铝合金的阻尼机制包括位错型和铁磁型，在该合金中，第二相的数量和分布、合金中的位错密度以及杂质等都会对合金的阻尼性能产生很大的影响。因此，本发明在合金基体中添加Gd，形成了大量的富Gd相，同时稀土元素Gd的加入，可以吸收合金中的杂质，减小内应力，改善合金阻尼能力；另外，通过结合机械合金化和放电等离子烧结，大量的强化第二相在合金晶界内均匀分布并在晶界和位错附近富集，第二相与位错相互作用，形成位错阻尼，使得本发明的铁铬铝合金具有较好的综合性能，即高阻尼高强度。

综上所述，本发明通过Gd合金化，可以有效细化合金晶粒尺寸，提高合金强度，同时，在合金晶界和位错附近富集有大量的强化第二相，产生位错阻尼；通过以上多方面的协同作用，使本发明的合金具有较好的综合性能。

也需要理解的是，本发明中通过引入Gd并配合放电等离子烧结，相比于不引入Gd的合金而言，力学性能和阻尼性能都得到了提高，因此高阻尼高强度铁铬铝合金中的“高阻尼高强度”是相对概念，是相对于没有引入Gd的合金而言的，而不是绝对概念。

本实施例的原料中元素的质量百分比为：Cr:20％-22％、Al:3％-5％、Gd:1-4％，余量为Fe。研究表明，Fe-(20％-22％)Cr的高铬铁素体合金具有较强的阻尼性能。0-8wt％Al掺杂能进一步提高Fe-Cr基合金的阻尼能力，且Al掺杂能有效提高合金的力学性能。对于铁磁阻尼合金，阻尼的形成主要是由于磁畴壁的不可逆运动引起的磁机械滞回。铁磁性是这类合金阻尼能力的首要条件。然而，在Fe-Cr-Al基合金中只有Fe元素具有铁磁性。在钢中添加稀土元素可以形成稳定的球形稀土夹杂物，避免了传统夹杂物的有害影响，显著提高了材料的力学性能。同时，在Fe-Cr-Al合金中添加稀土元素，可以吸收合金中的杂质(S、C、N等)，降低合金的内应力，减少磁畴壁不可逆运动的阻碍，提高合金的阻尼能力。此外，稀土元素Gd易被氧化，生成的Gd₂O₃具有较高的机械强度，有利于提高Fe-Cr-Al合金的机械强度。同时，合金元素形成的增强相与位错相互作用，提高了Fe-Cr-Al合金的阻尼能力。但是添加的Gd含量过多，可能会导致其形成新的杂质影响合金的阻尼性能。因此，在不改变Fe、Cr和Al含量的情况下，微量掺杂Gd来提高合金的阻尼性能和力学性能，经过实验及分析，较佳的掺量范围为Gd:1-4％。

本实施例中混合粉末放入球磨罐中并在罐内加入叔丁醇和玛瑙球；再将球磨罐放入行星式球磨机中，以200～350r/min的转速球磨4～6h。研究表明，球磨速度过大会导致粉末厚厚一层附在球磨罐的内壁上，起不到好的研磨作用，而转速太低，粉末在球磨罐的底部，玛瑙球却在粉末的最上面，也起不到好的研磨作用，因此转速在300r/min的时候最佳，粉末既不沉在最底，也不附在罐内壁，从而得到疏松而细小的合金粉末。一般来说，球磨时间越长，合金粉末越细，应该延长球磨时间，但是长时间的球磨可能会引入大量杂质，降低合金阻尼性能，因此经过实验及分析，球磨时间优选控制在4～6h。

另外，烧结温度过高会导致合金晶粒粗大，降低合金的力学性能，合适的升温速率使得合金的晶粒来不及生长，从而得到晶粒细小的合金；同时，在保温阶段给以一定的压力，使合金更佳致密，若压力过大，烧结样品极易发生开裂。因此本实施例中等离子烧结的升温速率优选控制为80～120℃/min，烧结温度为1150～1250℃，烧结压力40～50MPa，保温保压时间为3～5min。

实施例2：

本实施例采用Gd掺量为0-4％进行对比试验，具体实验方案为：

(1)机械合金化：将Fe-21Cr-4Al预合金粉、稀土Gd粉末原料按照配比称重后，进行机械合金化得到合金混合粉末，混合粉末中各元素含量为Cr:20％-22％、Al:3％-5％、Gd:1-4％，余量为Fe；机械合金化的具体操作是：将混合粉末放入球磨罐中并在罐内加入叔丁醇和玛瑙球，玛瑙球与混合粉末(单质Gd与Fe-21Cr-4Al的混合粉末)的比例为10:1；再将球磨罐放入行星式球磨机中，以200～350r/min的转速球磨4～6h，本实施选用球磨参数为：以300r/min的转速球磨4h。然后取出混合粉末真空冷冻干燥24h。

(2)放电等离子烧结：在氩气气氛下进行烧结。升温速率为100℃/min，烧结温度为1150℃，烧结压力为45MPa，保温保压时间为5min。

(3)阻尼试样制备：阻尼测试采用单悬臂模式，线切割成尺寸为1.5×1.5×35mm³的长方体。

(4)室温阻尼实验：使用MFP1000多功能内摩擦仪来测量合金在室温下的阻尼，频率为1Hz，最大应变振幅为1×10^-3。

(5)压缩试样制备：线切割成尺寸为5×5×8mm³的长方体。先使用SiC砂纸对试样6个表面进行打磨，再将打磨后的试样放入酒精中进行超声清洗，最后取出干燥。

(6)室温压缩试验：使用WDW-3100电子万能试验机进行室温压缩试验，应变速率为5×10^-3s^-1，应变为20％。

(7)硬度试样制备：线切割成尺寸为8×8×5mm³的长方体。先使用SiC砂纸对试样测试表面打磨，再进行抛光处理，然后将抛光好的试样放入酒精中进行超声清洗，最后取出干燥。

(8)维氏硬度试验：使用HVS-1000Z维氏硬度计进行室温维氏硬度试验，载荷为200gf，保压时间为15s。

使用Fe-21Cr-4Al预合金粉和单质Gd粉进行机械合金化，然后采用放电等离子烧结制备得到名义成分为Fe-21Cr-4Al-(0,1,2,4)Gd的铁铬铝基合金，线切割成尺寸为1.5×1.5×35mm³的长方体。使用MFP1000多功能内摩擦仪来测试铁铬铝合金的室温阻尼性能，实验频率为1Hz，应变振幅低于1×10^-3，阻尼测试周期不低于3个周期。相关测试数据如图1-4以及表1所示。

室温阻尼性能如图1所示，可以看出，对于不含Gd的合金，阻尼性能较低，与应变振幅的关系较弱。与未退火的铁铬铝合金相似，不添加Gd的合金的阻尼性能随应变振幅的增加而基本保持不变，形成一个扩散峰。添加Gd的合金的阻尼性能显著提高，峰值与应变振幅密切相关。同时，合金元素Gd的加入可以使合金在较大的应变振幅范围内保持较高的阻尼性能，当添加2wt.％Gd时，合金的阻尼性能达到0.072，比不含Gd的合金高5.55倍((0.072-0.011)/0.011)，阻尼性能提高非常明显。随着Gd含量的增加，阻尼性能先增加后降低，阻尼峰值在更小的应变振幅出现。

当应变振幅高于1×10^-4时，含Gd合金的阻尼性能随应变幅值的增大先增大后减小，最大阻尼性能与平均内应力不存在反比关系。在低应变振幅下，富Gd颗粒与位错的相互作用不大，形成的位错阻尼很小，可能仅足以消除Gd添加对阻尼性能的不利影响，合金的阻尼能力大致等于铁磁阻尼。在高应变幅下，第二相与位错之间的相互作用变大，位错阻尼增加。合金的阻尼能力由位错阻尼和铁磁阻尼组成。这两种阻尼都随着应变振幅的增加而增加，导致内摩擦迅速增加。由于第二相和位错之间的相互作用以及磁畴壁的不可逆运动达到饱和，合金的阻尼能力随着应变幅度的增加而降低。因此，含钆合金在高应变振幅下的阻尼性能由位错阻尼和铁磁阻尼组成。

低应变振幅下的室温阻尼如图2所示：当应变幅度较低时，含Gd合金的阻尼性能随着应变幅度的增加而增加，而0Gd合金的这种趋势较弱。同时，在3种含Gd合金中，随着Gd含量的增加，合金的平均内应力增加，阻尼性能降低，阻尼-应变振幅曲线的斜率降低。在实验开始时，添加Gd的合金的阻尼性能低于没有Gd的合金的阻尼性能。这可能是由于在含Gd合金的晶界存在富含Gd的颗粒，这增加了平均内应力，阻碍了磁畴壁的不可逆运动，降低了铁磁阻尼。Gd的加入细化了合金的晶粒尺寸，增加了晶界数和位错密度，降低了磁畴壁的流动性和内摩擦。当应变幅度为10^-5-10^-4时，合金中容易形成位错阻尼，位错脱离弱钉扎点，仅在强钉扎点之间来回移动。含Gd合金的晶界和晶粒内部存在大量富Gd颗粒，形成大量位错。在一定的应变振幅下，第二相开始与位错相互作用并形成位错阻尼。因此，当应变振幅达到临界值时，含Gd合金的阻尼性能可能由位错阻尼和铁磁阻尼组成，阻尼能力逐渐超过不含Gd的合金。

试验数据表明：Gd含量为2wt.％的合金具有最高的阻尼能力，这可能是由于位错阻尼和铁磁阻尼的共同作用。当应变幅值约为2×10^-4–6×10^-4时，合金的阻尼能力可能以铁磁阻尼为主。当应变幅值大于6×10^-4时，富Gd颗粒对位错的钉扎作用迅速增加，位错阻尼和铁磁阻尼共同增加合金的内摩擦，导致阻尼性能大幅提升。此外，合金的位错阻尼能力受合金基体中溶质原子数量的影响。Granato-Lücke(G-L)模型表明，合金的位错阻尼能力随着钉扎位错程度的增加而降低。由于第二相对铁磁阻尼的影响和固溶效应对位错阻尼的影响，2Gd合金具有最好的阻尼能力。总之，通过添加Gd元素使Fe-21Cr-4Al合金的阻尼性能得到改善。

室温力学性能如图3、4所示，可以看出随着Gd含量的增加，合金的平均晶粒尺寸减小，硬度和抗压强度逐渐增加。与没有Gd的合金相比，Gd含量为4wt.％的合金的硬度和抗压强度分别提高了16.38％和9.87％，表明Gd的加入能够显著改善Fe-21Cr-4Al合金的力学性能。

相关机理为：Fe-Cr-Al基合金的力学性能主要受细晶强化、位错强化、固溶强化和第二相强化的影响。根据Hall-Petch关系，细化晶粒可以强化材料。机械合金化使合金晶粒细化，在晶界和位错附近分布有大量的富Gd颗粒。富Gd颗粒阻碍了晶界的迁移，降低了晶粒尺寸。晶粒越细，晶界越多，位错运动阻力越大，承受相同应力的晶界越多，材料的变形阻力就越大。抗压强度和硬度随晶粒尺寸的减小而增大。同时，分布在合金位错附近的富Gd颗粒阻碍了位错的运动，产生了第二相强化，提高了合金的抗压强度和硬度。此外，添加的Gd部分溶解在合金基体中。由于Gd原子与基体原子的尺寸差异，导致晶格畸变，产生应力场，增加了位错运动的阻力，使材料强度增加。材料的力学性能与位错运动密切相关，位错运动受阻越大，材料的力学性能越大。总之，在Fe-21Cr-4Al基合金中加入Gd，形成第二相，减小晶粒尺寸，从而提高合金的力学性能。

表1高阻尼高强度铁铬铝合金的力学性能与阻尼性能：

从表1可以看出，本发明制备的合金随添加Gd含量的不同，其阻尼性能会有差异，但添加了Gd的合金材料综合性能都优于原始合金。原始合金的抗压强度为782.5MPa，阻尼能力大致稳定在0.011，而稀土元素Gd的添加，使合金的抗压强度高于787.5MPa，阻尼能力高于0.062，从而获得综合性能良好的铁铬铝基合金。

通过以上实验验证，采用上述的烧结工艺，可以制备出本发明涉及的高阻尼高强度铁铬铝合金，并且该合金具有较高的致密度。

实施例3

本实施例以Fe-21Cr-4Al预合金粉和单质Gd粉进行机械合金化，然后采用放电等离子烧结制备得到名义成分为Fe-21Cr-4Al-(1.5～2.5)Gd的铁铬铝基合金，然后按照实施例2中的试件制备方法及测试方法分别进行力学性能和阻尼性能测试；制备条件及测试结果如下表2、3所示：

表2Gd含量为1.5-2.5wt.％的铁铬铝合金制备参数

表3Gd含量为1.5-2.5wt.％的铁铬铝合金力学性能和阻尼性能测试数据

以上测试结果表明：等离子烧结的升温速率为80～120℃/min，烧结温度为1150～1250℃，烧结压力40～50MPa，保温保压时间为3～5min，效果较好。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金，其特征在于：所述铁铬铝合金是以预合金Fe-21Cr-4Al和单质Gd粉为原料，采用放电等离子烧结的方法进行烧结得到，所述铁铬铝合金晶界处和位错附近分布富Gd相的组织。

2.根据权利要求1所述的高阻尼高强度铁铬铝合金，其特征在于：原料中元素的质量百分比为：Cr: 20%-22%、Al: 3%-5%、Gd:1-4%，余量为Fe。

3.一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金的制备方法，该方法用于制备如权利要求1或2所述的高阻尼高强度铁铬铝合金，其特征在于，包括如下步骤：

（1）机械合金化：将质量百分比为1-4%的单质Gd粉末与Fe-21Cr-4Al预合金粉末混合后进行机械合金化，得到合金混合粉末；

（2）放电等离子烧结：将步骤（1）的合金混合粉末放入放电等离子烧结炉中进行烧结。

4.根据权利要求3所述的一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（1）得到合金混合粉末的具体操作是：将单质Gd与Fe-21Cr-4Al的混合粉末放入球磨罐中并在罐内加入叔丁醇和玛瑙球；再将球磨罐放入行星式球磨机中，以200~350r/min的转速球磨4~6 h。

5.根据权利要求4所述的一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金的制备方法，其特征在于：所述球磨的球磨转速为300 r/min，球磨时间为4 h，玛瑙球与混合粉末的比例为10:1。

6.根据权利要求3所述的一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）放电等离子烧结过程中，等离子烧结的升温速率为80~120 ℃/min，烧结温度为1150~1250 ℃，烧结压力40~50 MPa，保温保压时间为3~5 min。

7.根据权利要求6所述的一种含稀土元素的高阻尼高强度铁铬铝合金的制备方法，其特征在于：步骤（2）放电等离子烧结过程中，等离子烧结的升温速率为100 ℃/min，烧结温度为1150 ℃，烧结压力45 MPa，保温保压时间为5 min。

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